DNA-Computer

Als DNA-, RNA- oder allgemeiner auch Biocomputer werden Computer bezeichnet, die auf der Verwendung der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Ribonukleinsäure (RNA) als Speicher- und Verarbeitungsmedium beruhen. Sie stellen einen Bereich der Bioelektronik dar.

Die Entwicklung von Biocomputern befindet sich noch in der Anfangsphase. Die ersten theoretischen Anstöße, dass Datenverarbeitung auf der Basis biologischer Moleküle möglich sein muss, lieferte der Nobelpreisträger Richard Feynman, Begründer der Nanotechnologie, in einem Vortrag zum Ende der 1950er Jahre.

Idee

Die Organisation und Komplexität aller Lebewesen basiert auf einer Codierung mit vier verschiedenen Basen im DNA-Molekül. Dadurch stellt die DNA ein Medium dar, welches für die Datenverarbeitung perfekt geeignet ist. Nach verschiedenen Berechnungen würde ein DNA-Computer mit einer Flüssigkeitsmenge von einem Liter und darin enthaltenen sechs Gramm DNA eine theoretische Speicherkapazität von 3072 Exabyte ergeben. Auch die theoretisch erreichbare Geschwindigkeit wegen der massiven Parallelität der Berechnungen wäre enorm. Pro Sekunde ergeben sich etwa 1 Million Tera-Operationen, während die leistungsfähigsten Computer heute gerade mal eine Tera-Operation pro Sekunde erreichen.

Beispiele

1994 präsentierte Leonard Adleman mit seinem TT-100 den ersten Prototypen eines DNA-Computers in Form eines Reagenzglases mit 100 Mikrolitern DNA-Lösung. Mit Hilfe dieses Gerätes konnte er durch freie Reaktion der DNA einfache mathematische Probleme lösen.

In einem anderen Experiment wurde eine einfache Variante des Problems des Handlungsreisenden mittels eines DNA-Computers „gelöst“. Zu diesem Zweck wurde für jede zu besuchende Stadt der Aufgabenstellung ein Typ DNA-Fragment erzeugt. Ein solches DNA-Fragment ist zur Bindung an andere solche DNA-Fragmente fähig. Diese DNA-Fragmente wurden tatsächlich hergestellt und im Reagenzglas zusammengemixt. Es entstanden binnen Sekunden aus den kleineren DNA-Fragmenten größere DNA-Fragmente, die verschiedene Reiserouten repräsentierten. Durch eine chemische Reaktion (die Tage dauerte) wurden die DNA-Fragmente, die längere Reiserouten repräsentierten, eliminiert. Übrig blieb die Lösung dieses Problems, die jedoch mit heutigen Mitteln nicht ausgewertet werden kann. Dieses Experiment ist also nicht wirklich anwendungstauglich, jedoch ein Machbarkeitsnachweis.

Anwendung

Es wird vorausgesagt, dass DNA-Computer vor allem dort neue Lösungen liefern können sollen, wo sie sich von „traditionellen Computern“ unterscheiden: In der Speicherkapazität und in der Parallelisierung. Ein Anwendungsfeld ist damit z. B. Kryptoanalyse, indem massiv parallel alle möglichen Schlüssel gleichzeitig ausprobiert werden. Dies würde bis jetzt als sicher anerkannte Schlüssellängen, die mit heutigen Computern nicht zu brechen sind, angreifbar machen.

Die Realisierung des DNA-Computers scheitert aktuell vor allem an technischen Problemen. Das Ziel der derzeitigen Forschung ist es, ein Hybridsystem zu schaffen, bei dem der DNA-Technologie elektronische Baugruppen vorgeschaltet werden.

Siehe auch

• Quantencomputer, der ähnliche Rechenleistung verspricht

Literatur

• Thomas Buchholz, Martin Kutrib: Molekulare Computer. Rechnen im Reagenzglas. In: Spiegel der Forschung 15 (1998), Heft 1, S. 27–36 (Volltext)
• Robert Ludlum: Die Paris Option. ISBN 3-453-43015-8 (belletristische Darstellung)
• Ralf Zimmer: Ein universeller DNA-Computer. In: Der GMD-Spiegel ISSN 0724-4339, Heft 3/4, Oktober 1999, S. 24–28
• Leonard M. Adleman: Rechnen mit DNA. In: Spektrum der Wissenschaft Dossier - Rechnerarchitekturen, 4/2000, S.50-57. (Adleman ist das A in RSA).
• Zoya Ignatova, Israel Martinez-Perez, Karl-Heinz Zimmermann: DNA Computing Models. ISBN 978-0-387-73635-8, Springer, XIV, 288 p., 20 Illus., 2008.

Weblinks

• Berechnendes Erbgut – Artikel bei wissenschaft.de, vom 24. März 2005
• Experte: Medizin ist „natürliche Anwendung” für DNA-Computer – Artikel bei heise online, vom 26. April 2007
• Logische Gatter aus Ribonukleinsäure – Artikel bei heise online, vom 18. Oktober 2008
• How DNA Computers Will Work (englisch) – Artikel bei HowStuffWorks
• Bakterien helfen beim Problem des Handlungsreisenden, 27. Juli 2009
• DNA-Computer löst antike Logik (Syllogismus des Aristoteles)
• Wissenschaftler speichern Shakespeare und Musikdateien auf DNA